改造者：吉學(xué)勇

隨著資源能源的逐漸枯竭和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)于電動(dòng)汽車的開發(fā)和研究成為了新的領(lǐng)域。本文從電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類別和電機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，重點(diǎn)就直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等四種電機(jī)及其控制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，并對(duì)電機(jī)及其控制技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

石油能源是不可再生能源和污染性能源，隨著我國(guó)汽車保有量的逐年攀升，汽車尾氣污染日益成為大氣主要污染源之一。為了實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，節(jié)省能源，降低污染物排放，以電力發(fā)電來(lái)替代燃油發(fā)電的電動(dòng)汽車逐漸成為了新寵。近年來(lái)，政府在政策等各個(gè)方面給予電動(dòng)汽車許多優(yōu)惠條件，旨在鼓勵(lì)、發(fā)展和使用電動(dòng)汽車。作為電動(dòng)汽車的核心組成部件，不論是純電動(dòng)汽車（EV）、混合電動(dòng)汽車（HEV）還是燃料電池汽車（FCEV），電機(jī)控制系統(tǒng)都是其核心的關(guān)鍵性組成部件，是電動(dòng)汽車整車功能的集成和優(yōu)化的最為核心的單元部件，電控系統(tǒng)的安全可靠性如何會(huì)直接影響到整個(gè)電動(dòng)汽車運(yùn)行的穩(wěn)定和安全，可以說(shuō)，電動(dòng)汽車中的電機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)信息化轉(zhuǎn)型的重要方面內(nèi)容。

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電機(jī)特點(diǎn)

純電動(dòng)汽車（EV）、混合電動(dòng)汽車（HEV）以及燃料電池汽車（FCEV）中的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在布置和結(jié)構(gòu)方面不盡相同，但基本上都包含了電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備以及車輪這三個(gè)主要部件。盡管電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方式略有產(chǎn)別，但在電機(jī)驅(qū)動(dòng)布置結(jié)構(gòu)上則主要包括電動(dòng)機(jī)、電子控制器和功率轉(zhuǎn)換器等三個(gè)部分，這三塊部件共同構(gòu)成了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其中，評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)差異的最主要的是其中的電動(dòng)機(jī)，目前，電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)主要有永磁無(wú)刷、開關(guān)磁阻、感應(yīng)和直流四類（見表1）。

從表1 可以看出，永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的整體評(píng)價(jià)是最好的，直流電動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)效果不好，隨著電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，在國(guó)外的許多大公司已經(jīng)逐漸開始淘汰電動(dòng)汽車中的直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用和研發(fā)。就其原因主要是在控制性方面，永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要明顯優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)，此外，永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)成本低、功率密度高，后期維護(hù)較為簡(jiǎn)便，而直流電動(dòng)機(jī)在體積和質(zhì)量方面大，成本也高。隨著電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用，對(duì)于電機(jī)的要求也越來(lái)越高，對(duì)于可控性、制動(dòng)再生效率、穩(wěn)態(tài)精度以及轉(zhuǎn)速等方面都提出了更高要求，這也是未來(lái)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的研究和改進(jìn)方向。

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用電機(jī)種類及控制技術(shù)

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)（DC）、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（IM）、永磁電動(dòng)機(jī)（BDCM 和PMSN）以及開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）四種。

直流電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù)

直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，是電動(dòng)汽車中較早使用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但隨著控制技術(shù)的發(fā)展和電力電子技術(shù)的進(jìn)步，直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸被淘汰，該結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生電火花而有一定的安全隱患，且也不適合在多塵、潮濕和易燃易爆等環(huán)境中工作和使用，換向器在后期的維護(hù)過(guò)程中較為困難，價(jià)格高、體積和重量大等劣勢(shì)。

表1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)比較

圖1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性

圖2 永磁無(wú)刷同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù)

電動(dòng)汽車的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)有矢量控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和V/F 控制三種。其中，矢量控制又叫控制定子電流矢量，它是指在電動(dòng)汽車中把異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，并分別加以控制，同時(shí)控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電力之間幅值和相位，與直流電機(jī)相比，感應(yīng)電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕，與車體的適配性更好，以及運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，后期維修簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用較低等優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。

永磁電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù)

永磁電動(dòng)機(jī)主要有永磁無(wú)刷同步電機(jī)（PMSM）和永磁無(wú)刷直流電機(jī)（BDCM）兩種，目前從運(yùn)用的實(shí)際現(xiàn)狀來(lái)看，大多數(shù)汽車生產(chǎn)企業(yè)多選擇永磁無(wú)刷同步電機(jī)。永磁無(wú)刷同步電機(jī)調(diào)速性能好，而且電機(jī)的功率密度高，運(yùn)行效率優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但不足之處就是永磁材料時(shí)間一久會(huì)產(chǎn)生退磁效應(yīng)，易腐蝕，因而生產(chǎn)成本較高。永磁同步電機(jī)的研究主要是弱磁控制領(lǐng)域。當(dāng)增加電子直軸電流時(shí)，直軸電樞就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，從而削弱整個(gè)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)弱磁增速的目的。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù)

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）最早正式推出的是英國(guó)，經(jīng)過(guò)30 多年的發(fā)展，已經(jīng)在我國(guó)逐漸應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，如我國(guó)第二汽車制造廠就使用過(guò)將SRM 應(yīng)用到電動(dòng)客車的生產(chǎn)中來(lái)。SRM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，具體來(lái)說(shuō)是由SRM 電機(jī)、位置檢測(cè)器、控制器和功率變換器組成。而且SRM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)難以建模，是一種非線性，因此，對(duì)SRM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制主要采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊邏輯控制法。SRM 電機(jī)具有控制方便、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，也是現(xiàn)實(shí)中使用較為廣泛的一種電動(dòng)汽車電機(jī)類型。

電動(dòng)汽車電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)研發(fā)力度的加大，以及人們對(duì)電動(dòng)汽車的認(rèn)可度越來(lái)越高，未來(lái)電動(dòng)汽車的發(fā)展前景將是十分廣闊。作為電動(dòng)汽車的核心部件之一的電機(jī)及其控制技術(shù)也將會(huì)迎來(lái)良好的發(fā)展機(jī)遇期。未來(lái)電動(dòng)汽車電機(jī)及其控制技術(shù)將會(huì)呈現(xiàn)出一下特點(diǎn)。

電機(jī)種類的多樣化

前文中敘述了當(dāng)前較為普遍的四種電機(jī)，這幾種電機(jī)在性能的總體評(píng)價(jià)方面各有優(yōu)勢(shì)，而且目前在不同的電動(dòng)汽車中都還有應(yīng)用，這其中要以永磁無(wú)刷直流電機(jī)和異步電機(jī)為主要的使用兩種電機(jī)類型。但是，隨著微電子技術(shù)、材料科學(xué)、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見的是在未來(lái)電機(jī)的種類會(huì)越來(lái)越多，例如在直流電機(jī)發(fā)展基礎(chǔ)上，逐漸開發(fā)出混合電機(jī)如永磁式開關(guān)磁阻等等多種形態(tài)。

電機(jī)控制的智能化

智能化是未來(lái)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展方向，尤其是在電動(dòng)汽車這樣高精尖領(lǐng)域，未來(lái)模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性智能控制技術(shù)都會(huì)應(yīng)用到電動(dòng)汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)汽車的電機(jī)控制將會(huì)取得良好的發(fā)展成果，智能化水平將會(huì)越來(lái)越高。

電機(jī)控制的數(shù)字化

計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子學(xué)的快速發(fā)展，大量微機(jī)專用的控制芯片和DSP 等等逐漸應(yīng)用到電機(jī)控制系統(tǒng)中，目前用軟件控制系統(tǒng)來(lái)逐漸替代硬件系統(tǒng)成為了發(fā)展的主流，電機(jī)控制系統(tǒng)在數(shù)字化條件下實(shí)現(xiàn)了自我保護(hù)、自我故障監(jiān)視和診斷等功能，全數(shù)字化正是當(dāng)前電動(dòng)汽車電機(jī)控制及交流傳動(dòng)系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。